JP7779804B2 - Electrode mixture, electrode active material layer, and lithium ion battery - Google Patents
Electrode mixture, electrode active material layer, and lithium ion batteryInfo
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Description
本開示は、電極合材、電極活物質層、及びリチウムイオン電池に関する。 This disclosure relates to an electrode mixture, an electrode active material layer, and a lithium-ion battery.
特許文献1は、全固体リチウムイオン二次電池であって、負極は、負極活物質粒子、導電材、及び固体電解質を含有し、前記負極活物質粒子は、Si単体及びSiOからなる群より選ばれる少なくとも一種の活物質を含み、前記負極活物質粒子のBET比表面積が1.9m2/g以上14.2m2/g以下の範囲内であることを特徴とする、全固体リチウムイオン二次電池を開示している。 Patent Document 1 discloses an all-solid-state lithium ion secondary battery, characterized in that the negative electrode contains negative electrode active material particles, a conductive material, and a solid electrolyte, the negative electrode active material particles contain at least one active material selected from the group consisting of elemental Si and SiO, and the BET specific surface area of the negative electrode active material particles is in the range of 1.9 m 2 /g or more and 14.2 m 2 /g or less.
特許文献2は、全固体リチウムイオン二次電池であって、負極は、負極活物質粒子、導電材、及び固体電解質を含有し、前記負極活物質粒子は、Si単体及びSiOからなる群より選ばれる少なくとも一種の活物質を含み、前記負極活物質粒子について、下記式(1)より求められる値Aが6.1以上54.8以下の範囲内であることを特徴とする、全固体リチウムイオン二次電池を開示している。
A=SBET×dmed×D (1)
(上記式(1)中、SBETは負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)を、dmedは負極活物質粒子のメディアン径D50(μm)を、Dは負極活物質粒子の密度(g/cm3)を、それぞれ示す。)
Patent Document 2 discloses an all-solid-state lithium ion secondary battery, characterized in that the anode contains anode active material particles, a conductive material, and a solid electrolyte, the anode active material particles contain at least one active material selected from the group consisting of elemental Si and SiO, and the anode active material particles have a value A calculated by the following formula (1) in the range of 6.1 to 54.8:
A=S BET ×d med ×D (1)
(In the above formula (1), SBET represents the BET specific surface area (m 2 /g) of the negative electrode active material particles, d med represents the median diameter D50 (μm) of the negative electrode active material particles, and D represents the density (g/cm 3 ) of the negative electrode active material particles.)
なお、非特許文献1は、所定のポリマー電解質と硫化物固体電解質とを混合した場合に、ポリマー電解質及び硫化物固体電解質とが反応して劣化し得ることを記載している。 Non-Patent Document 1 states that when a specific polymer electrolyte is mixed with a sulfide solid electrolyte, the polymer electrolyte and the sulfide solid electrolyte may react and deteriorate.
本開示は、全固体電池の放電容量を向上させることができる、電極合材を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide an electrode composite that can improve the discharge capacity of all-solid-state batteries.
本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した:
《態様1》
充放電に伴って膨張及び収縮する電極活物質、ノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質、並びに硫化物固体電解質を含有している、電極合材。
《態様2》
前記ポリマー電解質における前記ノルボルネン類由来のモノマー単位に対する前記無水マレイン酸類由来のモノマー単位のモル比率は、40~60%である、態様1に記載の電極合材。
《態様3》
前記ポリマー電解質の平均分子量は、5,000~50,000である、態様1又は2に記載の電極合材。
《態様4》
前記ポリマー電解質の質量の前記ポリマー電解質と前記硫化物固体電解質との合計の質量に対する割合が10.0~40.0質量%である、態様1~3のいずれか一つに記載の電極合材。
《態様5》
態様1~4のいずれか一つに記載の電極合材を含有している、電極活物質層。
《態様6》
正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層がこの順に積層されている、リチウムイオン電池であって、
前記正極活物質層及び前記負極活物質層の少なくとも一方は、態様5に記載の電極活物質層である、
リチウムイオン電池。
《態様7》
固体電解質層が、硫化物固体電解質を含有している、態様6に記載のリチウムイオン電池。
《態様8》
前記電極活物質層が含有している前記電極活物質は、前記リチウムイオン電池の使用時の充放電時における最大膨張収縮率が、105%以上である、態様6又は7に記載のリチウムイオン電池。
The present inventors have found that the above object can be achieved by the following means:
Aspect 1
The electrode mixture contains an electrode active material that expands and contracts with charging and discharging, a polymer electrolyte having a monomer unit derived from a norbornene and a monomer unit derived from a maleic anhydride, and a sulfide solid electrolyte.
Aspect 2
2. The electrode mixture according to claim 1, wherein the molar ratio of the monomer units derived from maleic anhydrides to the monomer units derived from norbornenes in the polymer electrolyte is 40 to 60%.
Aspect 3
3. The electrode mixture according to claim 1, wherein the polymer electrolyte has an average molecular weight of 5,000 to 50,000.
Aspect 4
The electrode mixture according to any one of aspects 1 to 3, wherein the ratio of the mass of the polymer electrolyte to the total mass of the polymer electrolyte and the sulfide solid electrolyte is 10.0 to 40.0 mass%.
Aspect 5
An electrode active material layer containing the electrode mixture according to any one of aspects 1 to 4.
Aspect 6
A lithium ion battery having a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode active material layer stacked in this order,
At least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is the electrode active material layer according to aspect 5.
Lithium-ion battery.
Aspect 7
7. The lithium ion battery of claim 6, wherein the solid electrolyte layer comprises a sulfide solid electrolyte.
Aspect 8
A lithium ion battery according to aspect 6 or 7, wherein the electrode active material contained in the electrode active material layer has a maximum expansion/contraction rate of 105% or more during charging and discharging when the lithium ion battery is in use.
本開示によれば、全固体電池の放電容量を向上させることができる、電極合材を提供することができる。 This disclosure provides an electrode composite that can improve the discharge capacity of all-solid-state batteries.
以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。 Embodiments of the present disclosure are described in detail below. Note that the present disclosure is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the disclosure.
《電極合材》
本開示の電極合材は、充放電に伴って膨張及び収縮する電極活物質、ノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質、並びに硫化物固体電解質を含有している。
《Electrode composite material》
The electrode mixture of the present disclosure contains an electrode active material that expands and contracts with charge and discharge, a polymer electrolyte having a monomer unit derived from a norbornene and a monomer unit derived from a maleic anhydride, and a sulfide solid electrolyte.
ここで、「充放電に伴って膨張及び収縮する電極活物質」とは、電池の充放電に伴って電荷キャリア、例えばリチウムイオン電池におけるリチウムイオンを吸収及び放出することによって膨張収縮する、言い換えると粒子径が増減する電極活物質である。 Here, "electrode active material that expands and contracts with charge and discharge" refers to an electrode active material that expands and contracts by absorbing and releasing charge carriers, such as lithium ions in a lithium-ion battery, with the charging and discharging of the battery; in other words, the particle size increases and decreases.
このような電極活物質を含有する電池(特に、全固体電池)では、充放電の際に電極活物質層中の電極活物質の膨張収縮によって電極活物質層に割れが生じ、かつ/又は電極活物質と固体電解質との間に空隙が発生し得る。 In batteries (particularly all-solid-state batteries) containing such electrode active materials, the expansion and contraction of the electrode active material in the electrode active material layer during charging and discharging can cause cracks in the electrode active material layer and/or create voids between the electrode active material and the solid electrolyte.
電極活物質層の割れや電極活物質と固体電解質との間の空隙の発生は、電池の容量の低下をもたらし得る。 Cracks in the electrode active material layer or the occurrence of voids between the electrode active material and the solid electrolyte can result in a decrease in battery capacity.
本開示の電極合材は、充放電に伴って膨張及び収縮する電極活物質及び硫化物固体電解質に加えて、ノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質を更にを含有している。 The electrode mixture disclosed herein contains, in addition to an electrode active material and a sulfide solid electrolyte that expand and contract during charging and discharging, a polymer electrolyte having monomer units derived from norbornenes and monomer units derived from maleic anhydrides.
ノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質は、固体電解質よりも剛性が有意に低い。そのため、充放電に伴って膨張及び収縮する電極活物質と該ポリマー電解質とを含有している電極合材を用いて形成した電極活物質層は、充放電の際に生じる電極活物質層中の電極活物質の膨張収縮を、該ポリマー電解質が変形することで吸収することができる。そのため、電極活物質層の割れや電極活物質と固体電解質との間の空隙の発生を抑制することができる。 Polymer electrolytes containing monomer units derived from norbornenes and monomer units derived from maleic anhydrides have significantly lower rigidity than solid electrolytes. Therefore, an electrode active material layer formed using an electrode mixture containing this polymer electrolyte and an electrode active material that expands and contracts with charge and discharge can absorb the expansion and contraction of the electrode active material in the electrode active material layer that occurs during charge and discharge by the deformation of the polymer electrolyte. This can prevent cracking of the electrode active material layer and the occurrence of voids between the electrode active material and the solid electrolyte.
したがって、本開示の電極合材は、ポリマー電解質によって電極活物質層の割れや電極活物質と硫化物固体電解質との間の空隙の発生を抑制することができると共に、硫化物固体電解質によって高い電荷キャリア導電性を兼ね備えることができる。 Therefore, the electrode composite of the present disclosure can suppress cracking of the electrode active material layer and the occurrence of voids between the electrode active material and the sulfide solid electrolyte due to the polymer electrolyte, while also providing high charge carrier conductivity due to the sulfide solid electrolyte.
なお、非特許文献1において記載されているように、所定のポリマー電解質と硫化物固体電解質とを混合した場合に、ポリマー電解質及び硫化物固体電解質とが反応して劣化し得る。 As described in Non-Patent Document 1, when a specific polymer electrolyte is mixed with a sulfide solid electrolyte, the polymer electrolyte and the sulfide solid electrolyte may react and deteriorate.
この点に関して、本開示の電極合材に用いられるノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質は、硫化物固体電解質との反応性が低い。 In this regard, the polymer electrolyte containing monomer units derived from norbornenes and monomer units derived from maleic anhydrides used in the electrode mixture of the present disclosure has low reactivity with sulfide solid electrolytes.
これにより、本開示の電極合材を含有する電極活物質層を有する電池は、放電容量が向上する。 As a result, batteries having electrode active material layers containing the electrode mixture of the present disclosure have improved discharge capacity.
なお、本開示の電極合材は、充放電に伴って膨張及び収縮する電極活物質、ノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質、並びに硫化物固体電解質以外にも、随意に他の成分、例えばバインダ、及び/又は導電助剤等を含有していることができる。 In addition to the electrode active material that expands and contracts during charging and discharging, the polymer electrolyte having monomer units derived from norbornenes and monomer units derived from maleic anhydrides, and the sulfide solid electrolyte, the electrode mixture of the present disclosure may optionally contain other components, such as a binder and/or a conductive additive.
〈電極活物質〉
本開示の電極合材は、充放電に伴って膨張及び収縮する電極活物質を含有している。
<Electrode active material>
The electrode mixture of the present disclosure contains an electrode active material that expands and contracts during charge and discharge.
電極活物質は、正極活物質又は負極活物質のいずれであってもよい。 The electrode active material may be either a positive electrode active material or a negative electrode active material.
充放電に伴って膨張及び収縮する正極活物質としては、例えば硫黄系活物質を挙げることができる。ここで、硫黄系活物質は、少なくともS元素を含有する活物質である。硫黄系活物質は、Li元素を含有していてもよく、含有していなくてもよい。硫黄系活物質としては、例えば、単体硫黄、硫化リチウム(Li2S)、多硫化リチウム(Li2Sx、2≦x≦8)が挙げられる。 Examples of positive electrode active materials that expand and contract during charge and discharge include sulfur-based active materials. The sulfur-based active material is an active material containing at least the element S. The sulfur-based active material may or may not contain the element Li. Examples of sulfur-based active materials include elemental sulfur, lithium sulfide (Li 2 S), and lithium polysulfide (Li 2 S x , 2≦x≦8).
充放電に伴って膨張及び収縮する負極活物質としては、例えばSi若しくはSn、又は合金系活物質を挙げることができる。合金系活物質としては、Si合金系負極活物質、又はSn合金系負極活物質等が挙げられる。Si合金系負極活物質には、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素炭化物、ケイ素窒化物、又はこれらの固溶体等がある。また、Si合金系負極活物質には、ケイ素以外の元素、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Cu、Zn、Ge、In、Sn、又はTi等を含むことができる。Sn合金系負極活物質には、スズ、スズ酸化物、スズ窒化物、又はこれらの固溶体等がある。また、Sn合金系負極活物質には、スズ以外の元素、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Cu、Zn、Ge、In、Ti、又はSi等を含むことができる。これらの中で、Si合金系負極活物質が好ましい。 Examples of negative electrode active materials that expand and contract during charging and discharging include Si or Sn, or alloy-based active materials. Examples of alloy-based active materials include Si alloy-based negative electrode active materials and Sn alloy-based negative electrode active materials. Examples of Si alloy-based negative electrode active materials include silicon, silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride, and solid solutions thereof. Si alloy-based negative electrode active materials may also contain elements other than silicon, such as Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Sn, or Ti. Examples of Sn alloy-based negative electrode active materials include tin, tin oxide, tin nitride, and solid solutions thereof. Sn alloy-based negative electrode active materials may also contain elements other than tin, such as Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Ti, or Si. Of these, Si alloy-based negative electrode active materials are preferred.
〈ポリマー電解質〉
本開示の電極合材は、ノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質を含有している。
<Polymer electrolyte>
The electrode mixture of the present disclosure contains a polymer electrolyte having a monomer unit derived from a norbornene and a monomer unit derived from a maleic anhydride.
ここで、ノルボルネン類由来のモノマー単位は、以下の構造式(1)で表される: Here, the monomer unit derived from norbornenes is represented by the following structural formula (1):
構造式(1)において、R1、R2、R3、及びR4は、例えばそれぞれ互いに独立して、水素原子、又は炭素数1~6のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基からなる群から選択される基である。 In structural formula (1), R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are, for example, each independently a hydrogen atom or a group selected from the group consisting of an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkenyl group, an alkynyl group, and an aryl group.
構造式(1)において、R1、R2、R3、及びR4がいずれも水素原子であるもの、即ちノルボルネン由来のモノマー単位は、ノルボルネン、即ち2-ノルボルネンビシクロ[2.2.1]ヘプタ-2-エン由来のモノマー単位であり、以下の構造式(2)で表される: In structural formula (1), a monomer unit in which R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are all hydrogen atoms, i.e., a monomer unit derived from norbornene, is a monomer unit derived from norbornene, i.e., 2-norbornenebicyclo[2.2.1]hept-2-ene, and is represented by the following structural formula (2):
また、無水マレイン酸類由来のモノマー単位は、以下の構造式(3)で表される: The monomer unit derived from maleic anhydrides is represented by the following structural formula (3):
構造式(3)において、R5及びR6は、例えばそれぞれ互いに独立して、水素原子、又は炭素数1~6のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基からなる群から選択される基である。 In structural formula (3), R 5 and R 6 are, for example, each independently a hydrogen atom or a group selected from the group consisting of an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkenyl group, an alkynyl group, and an aryl group.
構造式(3)において、R5及びR6がいずれも水素原子であるものは、無水マレイン酸由来のモノマー単位であり、以下の構造式(4)で表される: In structural formula (3), when R5 and R6 are both hydrogen atoms, the monomer unit is derived from maleic anhydride and is represented by the following structural formula (4):
ポリマー電解質におけるノルボルネン類由来のモノマー単位に対する無水マレイン酸類由来のモノマー単位のモル比率は、40~60%であってよい。 The molar ratio of monomer units derived from maleic anhydrides to monomer units derived from norbornenes in the polymer electrolyte may be 40 to 60%.
ポリマー電解質におけるノルボルネン類由来のモノマー単位に対する無水マレイン酸類由来のモノマー単位のモル比率は、40%以上、42%以上、44%以上、又は46%以上であってよく、60%以下、58%以下、56%以下、又は54%以下であってよい。 The molar ratio of monomer units derived from maleic anhydrides to monomer units derived from norbornenes in the polymer electrolyte may be 40% or more, 42% or more, 44% or more, or 46% or more, and may be 60% or less, 58% or less, 56% or less, or 54% or less.
ポリマー電解質の平均分子量は、5,000~50,000であってよい。なお、平均分子量は、重量平均分子量である。 The average molecular weight of the polymer electrolyte may be 5,000 to 50,000. Note that the average molecular weight is the weight average molecular weight.
ポリマー電解質の平均分子量は、5,000以上、6,000以上、7,000以上、又は8,000以上であってよく、50,000以下、40,000以下、30,000以下、又は20,000以下であってよい。 The average molecular weight of the polymer electrolyte may be 5,000 or more, 6,000 or more, 7,000 or more, or 8,000 or more, and may be 50,000 or less, 40,000 or less, 30,000 or less, or 20,000 or less.
ポリマー電解質の質量の、ポリマー電解質と硫化物固体電解質との合計の質量に対する割合は、10.0~40.0質量%であることが好ましい。 The ratio of the mass of the polymer electrolyte to the total mass of the polymer electrolyte and sulfide solid electrolyte is preferably 10.0 to 40.0 mass%.
ポリマー電解質の質量の、ポリマー電解質と硫化物固体電解質との合計の質量に対する割合は、10.0質量%以上、15.0質量%以上、又は20.0質量%以上であってよく、40.0質量%以下、35.0質量%以下、又は30.0質量%以下であってよい。 The ratio of the mass of the polymer electrolyte to the total mass of the polymer electrolyte and the sulfide solid electrolyte may be 10.0 mass% or more, 15.0 mass% or more, or 20.0 mass% or more, and may be 40.0 mass% or less, 35.0 mass% or less, or 30.0 mass% or less.
〈硫化物固体電解質〉
本開示の電極合材は、硫化物固体電解質を含有している。
<Sulfide solid electrolyte>
The electrode mixture of the present disclosure contains a sulfide solid electrolyte.
硫化物固体電解質の例として、硫化物系非晶質固体電解質、硫化物系結晶質固体電解質、又はアルジロダイト型固体電解質等が挙げられるが、これらに限定されない。具体的な硫化物固体電解質の例として、Li2S-P2S5系(Li7P3S11、Li3PS4、Li8P2S9等)、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2S5、LiI-LiBr-Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-GeS2(Li13GeP3S16、Li10GeP2S12等)、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li7-xPS6-xClx等;又はこれらの組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。 Examples of sulfide solid electrolytes include, but are not limited to, sulfide-based amorphous solid electrolytes, sulfide-based crystalline solid electrolytes, and argyrodite-type solid electrolytes. Specific examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 S—P 2 S 5 systems (Li 7 P 3 S 11 , Li 3 PS 4 , Li 8 P 2 S 9 , etc.), Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 S—P 2 S 5 , LiI—LiBr—Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —GeS 2 (Li 13 GeP 3 S 16 , Li 10 GeP 2 S 12 , etc.), LiI—Li 2 S—P 2 O 5 , LiI—Li 3 PO 4 —P 2 S 5 , Li 7-x PS 6-x Cl x, etc.; or combinations thereof.
硫化物固体電解質は、ガラスであっても良く、ガラスセラミックスであっても良く、結晶材料であっても良い。ガラスは、原料組成物(例えばLi2S及びP2S5の混合物)を非晶質処理することにより得ることができる。非晶質処理としては、例えば、メカニカルミリングが挙げられる。メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミリングであっても良いが、後者が好ましい。容器等の壁面に原料組成物が固着することを防止できるからである。また、ガラスセラミックスは、ガラスを熱処理することにより得ることができる。また、結晶材料は、例えば、原料組成物に対して固相反応処理することにより得ることができる。 The sulfide solid electrolyte may be glass, glass ceramic, or a crystalline material. Glass can be obtained by amorphous processing of a raw material composition (e.g., a mixture of Li2S and P2S5 ). Examples of amorphous processing include mechanical milling. Mechanical milling may be dry mechanical milling or wet mechanical milling, with the latter being preferred. This is because it can prevent the raw material composition from adhering to the wall surface of a container or the like. Glass ceramics can be obtained by heat treating glass. Crystalline materials can be obtained, for example, by solid-phase reaction processing of the raw material composition.
硫化物固体電解質の形状は、粒子状であることが好ましい。また、硫化物固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば、0.01μm以上である。一方、硫化物固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば、10μm以下であり、5μm以下であっても良い。硫化物固体電解質の25℃におけるリチウムイオン伝導度は、例えば1×10-4S/cm以上であり、1×10-3S/cm以上であることが好ましい。 The sulfide solid electrolyte is preferably in the form of particles. The sulfide solid electrolyte has an average particle size (D50) of, for example, 0.01 μm or more. On the other hand, the sulfide solid electrolyte has an average particle size (D50) of, for example, 10 μm or less, or may be 5 μm or less. The sulfide solid electrolyte has a lithium ion conductivity at 25° C. of, for example, 1×10 −4 S/cm or more, and preferably 1×10 −3 S/cm or more.
〈バインダ〉
本開示の電極合材は、随意にバインダを含有していることができる。
<Binder>
The electrode mix of the present disclosure can optionally contain a binder.
バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ブタジエンゴム(BR)若しくはスチレンブタジエンゴム(SBR)等の材料、又はこれらの組合せであってよいが、これらに限定されない。 The binder may be, for example, but is not limited to, materials such as polyvinylidene fluoride (PVdF), carboxymethyl cellulose (CMC), butadiene rubber (BR), or styrene butadiene rubber (SBR), or combinations thereof.
〈導電助剤〉
導電助材としては、公知のものを用いることができ、例えば、炭素材料、及び金属粒子等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラックやファーネスブラック等のカーボンブラック、気相法炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種を挙げることができ、中でも、電子伝導性の観点から、VGCF、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。金属粒子としては、ニッケル、銅、鉄、及びステンレス鋼等の粒子が挙げられる。
<Conductive additive>
The conductive additive may be a known material, such as a carbon material or metal particles. Examples of the carbon material include at least one material selected from the group consisting of carbon black (e.g., acetylene black or furnace black), vapor-grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotubes, and carbon nanofibers. From the viewpoint of electron conductivity, at least one material selected from the group consisting of VGCF, carbon nanotubes, and carbon nanofibers may be used. Examples of the metal particles include nickel, copper, iron, and stainless steel particles.
《電極活物質層》
本開示の電極活物質層は、本開示の電極合材を含有している。
《Electrode active material layer》
The electrode active material layer of the present disclosure contains the electrode mixture of the present disclosure.
本開示の電極活物質層は、例えば本開示の電極合材の層であってよい。 The electrode active material layer of the present disclosure may be, for example, a layer of the electrode mixture of the present disclosure.
本開示の電極活物質層は、例えば本開示の電極合材のスラリーを集電体層等の基材上に配置し、乾燥等することによって形成することができる。 The electrode active material layer of the present disclosure can be formed, for example, by placing a slurry of the electrode mixture of the present disclosure on a substrate such as a current collector layer and drying it.
図1は、本開示の第1の実施形態に従う負極活物質層14が負極集電体層15上に形成されている状態を示す模式図である。 Figure 1 is a schematic diagram showing a negative electrode active material layer 14 formed on a negative electrode current collector layer 15 according to the first embodiment of the present disclosure.
《リチウムイオン電池》
本開示のリチウムイオン電池は、正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層がこの順に積層されている、リチウムイオン電池であって、正極活物質層及び負極活物質層の少なくとも一方は、本開示の電極活物質層である。なお、本開示のリチウムイオン電池のように、正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層がこの順に積層されている電池は、全固体電池とも呼ばれる。なお、本開示のリチウムイオン電池は、正極集電体層及び負極集電体層を更に有していてよい。
Lithium-ion battery
The lithium-ion battery of the present disclosure is a lithium-ion battery in which a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode active material layer are stacked in this order, and at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is the electrode active material layer of the present disclosure. Note that a battery in which a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode active material layer are stacked in this order, such as the lithium-ion battery of the present disclosure, is also called an all-solid-state battery. Note that the lithium-ion battery of the present disclosure may further include a positive electrode current collector layer and a negative electrode current collector layer.
ここで、本開示のリチウムイオン電池は、固体電解質層も硫化物固体電解質を含有していることができる。 Here, the solid electrolyte layer of the lithium-ion battery disclosed herein may also contain a sulfide solid electrolyte.
また、電極活物質層が含有している電極活物質は、リチウムイオン電池の使用時の充放電時における最大膨張収縮率が、105%以上であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the electrode active material contained in the electrode active material layer has a maximum expansion/contraction rate of 105% or more during charging and discharging when the lithium ion battery is in use.
ここで、最大膨張収縮率とは、リチウムイオン電池の充放電の際の電極活物質の、電極活物質が最も縮小した際の粒子径に対する、電極活物質が最も膨張した際の粒子径の比率である。 Here, the maximum expansion/contraction rate is the ratio of the particle diameter of the electrode active material when it expands the most to the particle diameter of the electrode active material when it shrinks the most during charging and discharging of a lithium-ion battery.
図2は、本開示の第1の実施形態に従うリチウムイオン電池1の模式図である。 Figure 2 is a schematic diagram of a lithium-ion battery 1 according to a first embodiment of the present disclosure.
図2に示すように、リチウムイオン電池1は、正極集電体層11、正極活物質層12、固体電解質層13、負極活物質層14、及び負極集電体層15がこの順に積層されている。正極活物質層12及び負極活物質層14の少なくとも一方は、本開示の電極活物質層である。 As shown in FIG. 2, the lithium-ion battery 1 has a positive electrode current collector layer 11, a positive electrode active material layer 12, a solid electrolyte layer 13, a negative electrode active material layer 14, and a negative electrode current collector layer 15 stacked in this order. At least one of the positive electrode active material layer 12 and the negative electrode active material layer 14 is an electrode active material layer according to the present disclosure.
〈正極集電体層〉
正極集電体層に用いられる材料は、ステンレス鋼(SUS)、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、又はカーボン等であってよいが、これらに限定されない。なかでも、正極集電体層の材料は、アルミニウムであることが好ましい。
<Positive electrode current collector layer>
The material used for the positive electrode current collector layer may be, but is not limited to, stainless steel (SUS), aluminum, copper, nickel, iron, titanium, carbon, etc. Among these, the material for the positive electrode current collector layer is preferably aluminum.
正極集電体層の形状は、特に限定されず、例えば、箔状、板状、又はメッシュ状等を挙げることができる。これらの中で、箔状が好ましい。 The shape of the positive electrode current collector layer is not particularly limited, and examples include foil, plate, and mesh. Of these, foil is preferred.
〈正極活物質層〉
本開示の電極活物質層が正極活物質層ではない場合、本開示のリチウムイオン電池が有している正極活物質層は、正極活物質、及び随意に固体電解質を含有している。その他、使用用途や使用目的等に合わせて、例えば、導電助剤又はバインダ等の、リチウムイオン電池の正極活物質層に用いられる添加剤を含有していてよい。固体電解質は、硫化物固体電解質であってよい。
<Cathode active material layer>
When the electrode active material layer of the present disclosure is not a positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer of the lithium ion battery of the present disclosure contains a positive electrode active material and, optionally, a solid electrolyte. In addition, depending on the intended use and purpose, the positive electrode active material layer may contain additives used in the positive electrode active material layer of a lithium ion battery, such as a conductive additive or a binder. The solid electrolyte may be a sulfide solid electrolyte.
本開示の電極活物質層が正極活物質層ではない場合、正極活物質層は、リチウムイオン電池に採用されうる任意の正極活物質を含有していてよい。 When the electrode active material layer of the present disclosure is not a positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer may contain any positive electrode active material that can be used in a lithium-ion battery.
このような正極活物質は、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、Li1+xMn2-x-yMyO4(Mは、Al、Mg、Co、Fe、Ni、及びZnから選ばれる1種以上の金属元素)で表される組成の異種元素置換Li-Mnスピネル等であってよいが、これらに限定されない。 Such a positive electrode active material may be, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , or a different element-substituted Li-Mn spinel having a composition represented by Li 1+x Mn 2-x-y M y O 4 (M is one or more metal elements selected from Al, Mg, Co, Fe, Ni, and Zn), but is not limited to these.
また、このような正極活物質は、例えば硫黄系活物質であってもよい。ここで、硫黄系活物質は、少なくともS元素を含有する活物質である。硫黄系活物質は、Li元素を含有していてもよく、含有していなくてもよい。硫黄系活物質としては、例えば、単体硫黄、硫化リチウム(Li2S)、多硫化リチウム(Li2Sx、2≦x≦8)が挙げられる。 Furthermore, such a positive electrode active material may be, for example, a sulfur-based active material. Here, the sulfur-based active material is an active material containing at least an S element. The sulfur-based active material may or may not contain an Li element. Examples of sulfur-based active materials include elemental sulfur, lithium sulfide (Li 2 S), and lithium polysulfide (Li 2 S x , 2≦x≦8).
固体電解質は、「《電極合材》」の「〈硫化物固体電解質〉」において記載したものを採用することができる。もっとも、本開示の電極活物質層が正極活物質層ではない場合、正極活物質層は、他の固体電解質、例えば酸化物固体電解質等を用いてもよい。 The solid electrolyte may be one described in the "Sulfide Solid Electrolyte" section of the "Electrode Composite" section. However, if the electrode active material layer of the present disclosure is not a positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer may use another solid electrolyte, such as an oxide solid electrolyte.
導電助剤及びバインダは、《電極合材》において記載したものを採用することができる。 The conductive additives and binders described in the "Electrode Mixture" section can be used.
〈固体電解質層〉
固体電解質層は、固体電解質、及び随意にバインダを含有している。
<Solid electrolyte layer>
The solid electrolyte layer contains a solid electrolyte and, optionally, a binder.
固体電解質は、「《電極合材》」の「〈硫化物固体電解質〉」において記載したものを採用することができるが、リチウムイオン二次電池に一般的に用いられる任意の固体電解質であってよい。特には、固体電解質は、硫化物固体電解質であることが好ましい。 The solid electrolyte may be one of those described in "Sulfide Solid Electrolyte" under "Electrode Composite," but may be any solid electrolyte commonly used in lithium-ion secondary batteries. In particular, it is preferable that the solid electrolyte be a sulfide solid electrolyte.
〈負極活物質層〉
本開示の電極活物質層が負極活物質層ではない場合、本開示のリチウムイオン電池が有している負極活物質層は、負極活物質、及び随意に固体電解質を含有している。その他、使用用途や使用目的等に合わせて、例えば、導電助剤又はバインダ等の、リチウムイオン電池の負極活物質層に用いられる添加剤を含有していてよい。固体電解質は、硫化物固体電解質であってよい。
<Negative electrode active material layer>
When the electrode active material layer of the present disclosure is not a negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer of the lithium ion battery of the present disclosure contains a negative electrode active material and, optionally, a solid electrolyte. In addition, depending on the intended use and purpose, the negative electrode active material layer may contain additives used in the negative electrode active material layer of a lithium ion battery, such as a conductive additive or a binder. The solid electrolyte may be a sulfide solid electrolyte.
本開示の電極活物質層が負極活物質層ではない場合、負極活物質層は、リチウムイオン電池に採用されうる任意の負極活物質を含有していてよい。 When the electrode active material layer of the present disclosure is not a negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer may contain any negative electrode active material that can be used in a lithium-ion battery.
このような負極活物質は、例えば金属リチウムであってよく、リチウムイオン等の金属イオンを吸蔵及び放出可能な材料であってよい。リチウムイオン等の金属イオンを吸蔵及び放出可能な材料としては、例えば、負極活物質は、合金系負極活物質又は炭素材料等であってよいが、これらに限定されない。 Such a negative electrode active material may be, for example, metallic lithium, or a material capable of absorbing and releasing metal ions such as lithium ions. Examples of materials capable of absorbing and releasing metal ions such as lithium ions include, but are not limited to, alloy-based negative electrode active materials or carbon materials.
合金系負極活物質としては、特に限定されず、例えば、Si合金系負極活物質、又はSn合金系負極活物質等が挙げられる。Si合金系負極活物質には、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素炭化物、ケイ素窒化物、又はこれらの固溶体等がある。また、Si合金系負極活物質には、ケイ素以外の元素、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Cu、Zn、Ge、In、Sn、Ti等を含むことができる。Sn合金系負極活物質には、スズ、スズ酸化物、スズ窒化物、又はこれらの固溶体等がある。また、Sn合金系負極活物質には、スズ以外の元素、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Cu、Zn、Ge、In、Ti、Si等を含むことができる。これらの中で、Si合金系負極活物質が好ましい。 The alloy-based negative electrode active material is not particularly limited and may, for example, be a Si alloy-based negative electrode active material or a Sn alloy-based negative electrode active material. Examples of Si alloy-based negative electrode active materials include silicon, silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride, and solid solutions thereof. Si alloy-based negative electrode active materials may also contain elements other than silicon, such as Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Sn, and Ti. Examples of Sn alloy-based negative electrode active materials include tin, tin oxide, tin nitride, and solid solutions thereof. Sn alloy-based negative electrode active materials may also contain elements other than tin, such as Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Ti, and Si. Among these, Si alloy-based negative electrode active materials are preferred.
炭素材料としては、特に限定されず、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボン、又はグラファイト等が挙げられる。 The carbon material is not particularly limited, and examples include hard carbon, soft carbon, and graphite.
固体電解質は、「《電極合材》」の「〈硫化物固体電解質〉」において記載したものを採用することができる。もっとも、本開示の電極活物質層が負極活物質層ではない場合、負極活物質層は、他の固体電解質、例えば酸化物固体電解質等を用いてもよい。 The solid electrolyte may be one described in the "Sulfide Solid Electrolyte" section of the "Electrode Composite" section. However, if the electrode active material layer of the present disclosure is not a negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer may use another solid electrolyte, such as an oxide solid electrolyte.
導電助剤及びバインダは、《電極合材》において記載したものを採用することができる。 The conductive additives and binders described in the "Electrode Mixture" section can be used.
〈負極集電体層〉
負極電体層に用いられる材料は、正極集電体層に用いられる材料と同様のものを用いてよいが、銅であることが好ましい。
<Negative electrode current collector layer>
The material used for the negative electrode current collector layer may be the same as the material used for the positive electrode current collector layer, but is preferably copper.
《実施例1~3、並びに比較例1及び2》
〈実施例1〉
ノルボルネン由来のモノマー単位と無水マレイン酸由来のモノマー単位を有するポリマーに、ジイソブチルケトンをポリマーの6.16重量倍投入後、スターラーで10時間攪拌した。更に、LiTFSIを0.4重量倍投入後、スターラー(コーニング社製、PC-420D)で攪拌して、ポリマー電解質溶液を調製した。
Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2
Example 1
A polymer having norbornene-derived monomer units and maleic anhydride-derived monomer units was mixed with diisobutyl ketone in an amount 6.16 times by weight of the polymer, and stirred with a stirrer for 10 hours. LiTFSI was then added in an amount 0.4 times by weight, and the mixture was stirred with a stirrer (Corning PC-420D) to prepare a polymer electrolyte solution.
なお、ポリマーにおけるノルボルネン由来のモノマー単位に対する無水マレイン酸由来のモノマー単位のモル比率は_%であった。また、ポリマーの数平均分子量は_であった。 The molar ratio of maleic anhydride-derived monomer units to norbornene-derived monomer units in the polymer was __%. The number average molecular weight of the polymer was __.
ポリプロピレン(PP)製容器に上記ポリマー溶液944mg(ポリマー電解質換算で176mg)、DIBK267mg、負極活物質400mg(Si粒子)、導電助剤32mg(VGCF)、及びDIBKを適量添加し、超音波分散装置(エスエムテー製 UH-50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学株式会社制、TTM-1)で30分間振とうした。 944 mg of the above polymer solution (176 mg in terms of polymer electrolyte), 267 mg of DIBK, 400 mg of negative electrode active material (Si particles), 32 mg of conductive additive (VGCF), and an appropriate amount of DIBK were added to a polypropylene (PP) container and stirred for 30 seconds using an ultrasonic disperser (UH-50, manufactured by SMT). The mixture was then shaken for 30 minutes using a shaker (TTM-1, manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.).
これにより実施例1の負極合材のスラリーを調製した。 This resulted in the preparation of the negative electrode composite slurry for Example 1.
調製した負極合材のスラリーを、アプリケーターを使用してブレード法にて負極集電体層(Cu箔)上に塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥した。 The prepared negative electrode mixture slurry was applied to the negative electrode current collector layer (Cu foil) using an applicator by the blade method, and then dried on a hot plate at 100°C for 30 minutes.
これにより負極集電体層上に負極活物質層を形成した。 This formed a negative electrode active material layer on the negative electrode current collector layer.
表面にLiNbO3のコート処理を施した正極活物質(LiNiCoAlO2、平均粒径D50=6μm)を用意した。ポリプロピレン(PP)製容器に、酪酸ブチルと、PVDF系バインダーを5重量%の割合で含有する酪酸ブチル溶液と、正極活物質と、硫化物固体電解質材料(Li2S-P2S5系ガラスセラミックス)と、導電助剤(VGCF)とを添加し、超音波分散装置(エスエムテー製 UH-50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学株式会社制、TTM-1)で3分間振とうした。 A positive electrode active material (LiNiCoAlO 2 , average particle size D50 = 6 μm) with a LiNbO 3 coating on its surface was prepared. A butyl butyrate solution containing 5 wt% butyl butyrate and a PVDF-based binder, the positive electrode active material, a sulfide solid electrolyte material (Li 2 S-P 2 S 5 -based glass ceramics), and a conductive additive (VGCF) were added to a polypropylene (PP) container and stirred for 30 seconds using an ultrasonic disperser (UH-50, manufactured by SMT). The mixture was then shaken for 3 minutes using a shaker (TTM-1, manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.).
これにより正極合材のスラリーを調製した。 This prepared the positive electrode composite slurry.
調製した正極合材のスラリーを、アプリケーターを使用してブレード法にて正極集電体(Al箔、昭和電工社製)上に塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥した。以上により、正極集電体層上に正極活物質層を形成した。 The prepared positive electrode mixture slurry was applied to a positive electrode current collector (Al foil, manufactured by Showa Denko K.K.) using an applicator by the blade method, and then dried on a hot plate at 100°C for 30 minutes. This formed a positive electrode active material layer on the positive electrode current collector layer.
次いで、ポリプロピレン(PP)製容器に、ヘプタンと、ブチレンゴム(BR)系バインダーを5重量%の割合で含有するヘプタン溶液と、硫化物固体電解質材料(Li2S-P2S5系ガラスセラミックス)とを添加し、超音波分散装置(エスエムテー社製UH-50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学社製TTM-1)で30分間振とうした。 Next, heptane, a heptane solution containing 5% by weight of a butylene rubber (BR)-based binder, and a sulfide solid electrolyte material (Li2S-P2S5-based glass ceramics) were added to a polypropylene (PP) container and stirred for 30 seconds using an ultrasonic disperser (UH-50, manufactured by SMT Corporation). The mixture was then shaken for 30 minutes using a shaker (TTM-1, manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.).
これにより、固体電解質スラリーを調製した。 This resulted in the preparation of a solid electrolyte slurry.
調製した固体電解質スラリーを、アプリケーターを使用してブレード法にて基材(Al箔)上に塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥した。 The prepared solid electrolyte slurry was applied to a substrate (Al foil) using an applicator by the blade method, and then dried on a hot plate at 100°C for 30 minutes.
これにより、基材上に固体電解質層を形成した。 This resulted in the formation of a solid electrolyte layer on the substrate.
正極活物質層と固体電解質層とが接するように、正極集電体層上に形成された正極活物質層と基材上に形成された固体電解質層とを積層した。この正極集電体層―正極活物質層―固体電解質層―基材積層体に対して、600MPaの圧力を印加後、基材を固体電解質層から剥がして、正極集電体層―正極活物質層―固体電解質層積層体を得た。 A positive electrode active material layer formed on a positive electrode current collector layer and a solid electrolyte layer formed on a substrate were laminated so that the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer were in contact with each other. A pressure of 600 MPa was applied to this positive electrode current collector layer-positive electrode active material layer-solid electrolyte layer-substrate laminate, and then the substrate was peeled off from the solid electrolyte layer to obtain a positive electrode current collector layer-positive electrode active material layer-solid electrolyte layer laminate.
次いで、負極活物質層と固体電解質層とが接するように、負極集電体層上に形成された負極活物質層と基材上に形成された固体電解質層とを積層した。この負極集電体層―負極活物質層―固体電解質層―基材積層体に対して、ロールプレスにより30kN/cmの圧力を印加後、基材を固体電解質層から剥がして、負極集電体層―負極活物質層―固体電解質層積層体を得た。 Next, the negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector layer and the solid electrolyte layer formed on the substrate were laminated so that the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer were in contact with each other. A pressure of 30 kN/cm was applied to this negative electrode current collector layer-negative electrode active material layer-solid electrolyte layer-substrate laminate using a roll press, and then the substrate was peeled off from the solid electrolyte layer to obtain a negative electrode current collector layer-negative electrode active material layer-solid electrolyte layer laminate.
このように得られた正極集電体層―正極活物質層―固体電解質層積層体の固体電解質層上に、負極集電体層―負極活物質層―固体電解質層積層体の固体電解質層を積層した状態で、40MPaの圧力を印加して、全固体リチウムイオン二次電池セル(全固体電池)を調製した。 A pressure of 40 MPa was applied to the solid electrolyte layer of the negative electrode current collector layer-negative electrode active material layer-solid electrolyte layer laminate, which was then laminated on the solid electrolyte layer of the positive electrode current collector layer-positive electrode active material layer-solid electrolyte layer laminate obtained in this manner, to prepare an all-solid-state lithium ion secondary battery cell (all-solid-state battery).
〈実施例2〉
実施例1と同様にして、ポリマー電解質溶液を調製した。
Example 2
A polymer electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 1.
その後、ポリプロピレン(PP)製容器に上記ポリマー溶液479mg(ポリマー電解質換算で89mg)、DIBK267mg、負極活物質400mg(Si粒子)と、硫化物固体電解質材料146mg(Li2S-P2S5系ガラスセラミックス)と、導電助剤32mg(VGCF)、DIBKを適量添加し、超音波分散装置(エスエムテー製 UH-50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学株式会社制、TTM-1)で30分間振とうした。 Then, 479 mg of the polymer solution (89 mg in terms of polymer electrolyte), 267 mg of DIBK, 400 mg of negative electrode active material (Si particles), 146 mg of sulfide solid electrolyte material (Li 2 S-P 2 S 5 -based glass ceramics), 32 mg of conductive additive (VGCF), and an appropriate amount of DIBK were added to a polypropylene (PP) container, and the mixture was stirred for 30 seconds with an ultrasonic disperser (UH-50 manufactured by SMT). Then, the mixture was shaken for 30 minutes with a shaker (TTM-1 manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.).
これにより実施例2の負極合材のスラリーを調製した。 This resulted in the preparation of the negative electrode composite slurry for Example 2.
その余は実施例1と同様にして、実施例2の全固体電池を調製した。 The rest of the procedure was the same as in Example 1, and the all-solid-state battery of Example 2 was prepared.
〈実施例3〉
硫化物固体電解質材料の量を245mgとしたことを除いて実施例2と同様にして、実施例3の負極合材のスラリーを調製した。
Example 3
A slurry of the negative electrode mixture of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 2, except that the amount of the sulfide solid electrolyte material was 245 mg.
その余は実施例1と同様にして、実施例3の全固体電池を調製した。 The rest of the procedure was the same as in Example 1, and the all-solid-state battery of Example 3 was prepared.
〈比較例1〉
ポリプロピレン(PP)製容器に、酪酸ブチルと、PVDF系バインダーを5重量%の割合で含有する酪酸ブチル溶液と、負極活物質600mg(Si粒子)と、硫化物固体電解質材料466mg(Li2S-P2S5系ガラスセラミックス)と、導電助剤48mg(VGCF)とを添加し、超音波分散装置(エスエムテー製 UH-50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学株式会社制、TTM-1)で30分間振とうした。
Comparative Example 1
A polypropylene (PP) container was charged with a butyl butyrate solution containing butyl butyrate and a PVDF binder at a ratio of 5 wt%, 600 mg of negative electrode active material (Si particles), 466 mg of sulfide solid electrolyte material (Li 2 S-P 2 S 5 -based glass ceramics), and 48 mg of conductive additive (VGCF), and the mixture was stirred for 30 seconds with an ultrasonic disperser (UH-50 manufactured by SMT). The mixture was then shaken for 30 minutes with a shaker (TTM-1 manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.).
これにより比較例1の負極合材のスラリーを調製した。 This resulted in the preparation of the negative electrode composite slurry for Comparative Example 1.
その余は実施例1と同様にして、比較例1の全固体電池を調製した。 The rest of the procedure was the same as in Example 1, and an all-solid-state battery of Comparative Example 1 was prepared.
〈比較例2〉
ポリフッ化ビニリデン(PVDF:アルケマ社製、HSV900)にジイソブチルケトンをPVDFの8重量倍投入後スターラーで10時間攪拌する。さらにLiTFSIを1.5重量倍投入後スターラー(コーニング社製、PC-420D)で攪拌しポリマー電解質溶液を作製した。
Comparative Example 2
Diisobutyl ketone was added to polyvinylidene fluoride (PVDF: HSV900 manufactured by Arkema) in an amount 8 times by weight of the PVDF, and the mixture was stirred with a stirrer for 10 hours. LiTFSI was then added in an amount 1.5 times by weight, and the mixture was stirred with a stirrer (PC-420D manufactured by Corning Incorporated) to prepare a polymer electrolyte solution.
ポリプロピレン(PP)製容器に上記ポリマー溶液800mg、DIBK、負極活物質400mg(Si粒子)と、導電助剤32mg(VGCF)とを添加し、超音波分散装置(エスエムテー製 UH-50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学株式会社制、TTM-1)で30分間振とうした。 800 mg of the above polymer solution, DIBK, 400 mg of negative electrode active material (Si particles), and 32 mg of conductive additive (VGCF) were added to a polypropylene (PP) container and stirred for 30 seconds using an ultrasonic disperser (UH-50, manufactured by SMT). The mixture was then shaken for 30 minutes using a shaker (TTM-1, manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.).
これにより比較例2の負極スラリーを調製した。 This resulted in the preparation of the negative electrode slurry for Comparative Example 2.
その余は実施例1と同様にして、比較例2の全固体電池を調製した。 The rest of the procedure was the same as in Example 1, and an all-solid-state battery of Comparative Example 2 was prepared.
〈電池の評価〉
各例の全固体電池を0.1Cで4.2Vまで定電流-定電圧(CC-CV)充電した。その後、0.1Cで2.7VまでCC-CV放電を行った。当該充電において、放電容量取得及び、全固体電池の拘束圧力をモニタリングし、4.2Vでの全固体電池の拘束圧力を測定し、比較例1、2及び実施例1の全固体電池の拘束圧力と比較した。
Battery evaluation
The all-solid-state battery of each example was charged at 0.1 C by constant current-constant voltage (CC-CV) to 4.2 V. Then, CC-CV discharge was performed at 0.1 C to 2.7 V. During this charging, the discharge capacity was obtained and the confining pressure of the all-solid-state battery was monitored, and the confining pressure of the all-solid-state battery at 4.2 V was measured and compared with the confining pressure of the all-solid-state batteries of Comparative Examples 1 and 2 and Example 1.
さらに充放電を同じ条件で繰り返し、それを2回目の充放電とした。 The charging and discharging was then repeated under the same conditions, which was considered the second charging and discharging.
なお、1回目の充電時の比較例1の全固体電池における圧力増加率(MPa/mAh)を100として、相対値を比較した。 Note that the pressure increase rate (MPa/mAh) for the all-solid-state battery of Comparative Example 1 during the first charge was set at 100, and the relative values were compared.
また、1回目及び2回目の放電時の放電容量(mAh)については、それぞれ比較例1の全固体電池における放電容量を100として、相対値を比較した。 Furthermore, the discharge capacities (mAh) during the first and second discharges were compared relative to the discharge capacity of the all-solid-state battery of Comparative Example 1, which was set at 100.
〈結果〉
各例の構成及び電池の評価結果を表1に示す。なお、表1において、「ノルボルネン/無水マレイン酸」は、ノルボルネン由来のモノマー単位と無水マレイン酸由来のモノマー単位を有するポリマーを意味する。
<result>
The configuration of each example and the evaluation results of the battery are shown in Table 1. In Table 1, "norbornene/maleic anhydride" means a polymer having a monomer unit derived from norbornene and a monomer unit derived from maleic anhydride.
表1に示すように、負極活物質層における電解質が硫化物固体電解質のみであった比較例1に対して、負極活物質層における電解質がポリマー電解質を含有していた比較例2及び実施例1は、1回目の充電時の比較例1の全固体電池における圧力増加率が小さかった。特に、ポリマー電解質がノルボルネン由来のモノマー単位と無水マレイン酸由来のモノマー単位を有するポリマーを含有していた実施例1では、圧力増加率が85であり、特に小さかった。 As shown in Table 1, in Comparative Example 1, in which the electrolyte in the negative electrode active material layer was only a sulfide solid electrolyte, the pressure increase rate in the all-solid-state battery of Comparative Example 1 during the first charge was smaller in Comparative Example 2 and Example 1, in which the electrolyte in the negative electrode active material layer contained a polymer electrolyte. In particular, in Example 1, in which the polymer electrolyte contained a polymer having a norbornene-derived monomer unit and a maleic anhydride-derived monomer unit, the pressure increase rate was 85, which was particularly small.
また、負極活物質層における電解質として硫化物固体電解質及びポリマー電解質がノルボルネン由来のモノマー単位と無水マレイン酸由来のモノマー単位を有するポリマーを含有していた実施例2及び3は、2回目の放電容量がそれぞれ101及び96であり、2回目の放電容量が、負極活物質層における電解質として硫化物固体電解質を含有していなかった実施例1よりも大きかった。 In addition, Examples 2 and 3, in which the electrolyte in the negative electrode active material layer contained a sulfide solid electrolyte and the polymer electrolyte contained a polymer having a norbornene-derived monomer unit and a maleic anhydride-derived monomer unit, had second discharge capacities of 101 and 96, respectively, which were greater than the second discharge capacity of Example 1, in which the electrolyte in the negative electrode active material layer did not contain a sulfide solid electrolyte.
1 リチウムイオン電池
11 正極集電体層
12 正極活物質層
13 固体電解質層
14 負極活物質層
15 負極集電体層
REFERENCE SIGNS LIST 1 Lithium ion battery 11 Positive electrode current collector layer 12 Positive electrode active material layer 13 Solid electrolyte layer 14 Negative electrode active material layer 15 Negative electrode current collector layer
Claims (3)
前記負極活物質層が、
Si若しくはSn、又は合金系活物質、
ノルボルネン類由来のモノマー単位及び無水マレイン酸類由来のモノマー単位を有するポリマー電解質、並びに
硫化物固体電解質
を含有しており、
前記ポリマー電解質の質量の前記ポリマー電解質と前記硫化物固体電解質との合計の質量に対する割合が20.0~40.0質量%であり、
前記正極活物質層が、前記硫化物固体電解質を含有しており、かつ前記ポリマー電解質を含有しておらず、かつ
前記固体電解質層が、前記硫化物固体電解質を含有している、
リチウムイオン電池。 A lithium ion battery having a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode active material layer stacked in this order,
The negative electrode active material layer is
Si or Sn, or alloy-based active material,
The battery contains a polymer electrolyte having a monomer unit derived from a norbornene and a monomer unit derived from a maleic anhydride, and a sulfide solid electrolyte,
the ratio of the mass of the polymer electrolyte to the total mass of the polymer electrolyte and the sulfide solid electrolyte is 20.0 to 40.0 mass% ,
the positive electrode active material layer contains the sulfide solid electrolyte and does not contain the polymer electrolyte; and
The solid electrolyte layer contains the sulfide solid electrolyte.
Lithium-ion battery .
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